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        郭莊煤礦3#煤層瓦斯鉆孔有效抽采半徑研究

        2019-12-27 06:10:26韓金壘
        山東煤炭科技 2019年12期
        關(guān)鍵詞:郭莊瓦斯半徑

        韓金壘

        (山西潞安郭莊煤業(yè)有限公司,山西 屯留 046100)

        1 工程概況

        山西潞安郭莊煤礦屬于高瓦斯礦井,現(xiàn)階段正在開采3#煤層。3#煤層位于山西組下部,煤層厚5.13~6.35m,平均厚5.99m,含泥巖夾矸0~2層,煤層傾角2~4°,平均3°,屬于近水平煤層。煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖,局部為砂巖。底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖,深灰色粉砂巖。該煤層全井田可采,結(jié)構(gòu)簡單,厚度變化不大,屬穩(wěn)定型煤層。郭莊煤礦3#煤層瓦斯相對涌出量為11.61m3/t,絕對涌出量為31.91m3/min,鑒定為高瓦斯礦井。礦井目前生產(chǎn)系統(tǒng)主要布置在北翼,南翼采區(qū)為開拓準備區(qū)域。為查明井田煤層瓦斯賦存狀況,指導采區(qū)和工作面設(shè)計及通風瓦斯管理工作,同時考察瓦斯抽放可行性,對郭莊煤業(yè)3#煤層瓦斯涌出量進行預(yù)測,對順層鉆孔抽采半徑進行試驗研究。

        2 順層鉆孔有效抽采半徑數(shù)值模擬研究

        2.1 建立數(shù)值模型

        COMSOL Multiphysics是一個能夠?qū)崿F(xiàn)多場耦合分析的數(shù)值仿真軟件[1],目前廣泛用于各類工程地質(zhì)問題的試驗研究。為具體分析郭莊煤礦3#煤層采用順層鉆孔預(yù)抽瓦斯的效果,并指導現(xiàn)場生產(chǎn)實踐,根據(jù)3#煤層具體條件建立圖1所示的三維數(shù)值模型。3#煤層傾角2°~4°,平均3°,屬于近水平煤層,建立模型時為更加接近真實情況,數(shù)值模型采用定水平模型。3#煤層厚5.13~6.35m,平均厚5.99m,參考以往的研究成果[2],此厚度的煤層,其厚度對于抽采鉆孔的有效抽采半徑基本沒有影響,因此為提高計算的速度、精度,此次模擬試驗的三維數(shù)值模型簡化為二維剖面模型,剖面位置對應(yīng)于煤層中部,詳細情況如圖1所示。煤層的實際長度和寬度遠大于模型所能模擬分析的范圍,建立合理尺寸的模型,需要既能夠消除邊界效應(yīng)又能準確地反應(yīng)研究區(qū)域的模擬結(jié)果。參考相關(guān)的研究實例,設(shè)計模型為邊長為200m的正方形。3#煤層順層鉆孔直徑為94mm,鉆孔引起的煤巖體塑性破壞半徑取0.48m,鉆孔的總長度為75m,封孔長度為16m。具體的數(shù)值模型和邊界條件的設(shè)置如圖2所示。

        圖1 模型建立示意圖

        圖2 瓦斯抽采鉆孔數(shù)值模型示意圖

        2.2 相關(guān)參數(shù)的測量

        采用COMSOL數(shù)值模擬軟件,根據(jù)耦合動力學理論模擬計算3#煤層順層鉆孔抽采瓦斯的有效半徑,需對3#煤層的相關(guān)參數(shù)進行具體的研究測定[3]。在3#煤層正式回采前,委托中國礦業(yè)大學對3#煤的原始瓦斯壓力、原始滲透性系數(shù)等參數(shù)進行試驗測定。為了方便對主要設(shè)定參數(shù)查閱,現(xiàn)分類如表1、表2所示。

        表1 現(xiàn)場測定參數(shù)匯總表

        表2 試驗測定參數(shù)匯總表

        2.3 3#煤層單個鉆孔瓦斯有效抽采半徑數(shù)值模擬

        根據(jù)郭莊煤業(yè)有限責任公司3#煤層實際情況,實測壓力點附近存在陷落柱,陷落柱附近巖層塌落、裂隙發(fā)育,附近煤層的瓦斯向陷落柱內(nèi)運移,造成附近區(qū)域煤層瓦斯壓力偏小,因此用瓦斯含量進行瓦斯壓力反算。根據(jù)瓦斯含量指標用間接法計算所對應(yīng)的瓦斯壓力,瓦斯含量與壓力之間存在以下關(guān)系[4]:

        將吸附常數(shù)等數(shù)據(jù)代入上式可計算出對應(yīng)的瓦斯壓力。根據(jù)郭莊煤業(yè)有限責任公司3#煤層瓦斯參數(shù)測定結(jié)果可知,當可解析瓦斯含量降到目標值4m3/t時,殘余瓦斯含量為6.11m3/t,此時對應(yīng)的瓦斯壓力為0.40MPa。依據(jù)上述獲取數(shù)據(jù)對數(shù)值模擬模型進行設(shè)定,并確定抽采半徑的指標(可解吸瓦斯含量降到目標值4m3/t,瓦斯壓力為0.40MPa),同時結(jié)合郭莊煤業(yè)有限責任公司3#煤層回采工作面瓦斯預(yù)抽時間不同的特點,分別對鉆孔預(yù)抽2、3、6個月的單個鉆孔進行模擬,對應(yīng)不同時間條件下,單個鉆孔抽采后煤層內(nèi)瓦斯壓力的分布云圖如圖3所示。

        圖3 3#煤層抽采不同時間鉆孔周圍壓力分布云圖

        從圖3所示的模擬結(jié)果可以看出,單孔抽采時間不同的情況下,鉆孔周圍煤層內(nèi)瓦斯的壓力存在明顯的不同。抽采的時間越長,煤層中瓦斯壓力降低的范圍越大。為了定量表示鉆孔抽采的有效半徑,將隨著與鉆孔邊緣距離變化,鉆孔周圍煤體內(nèi)瓦斯壓力的變化規(guī)律通過曲線表示出來,詳細的情況如圖4所示。

        當可解吸瓦斯含量降到目標值4m3/t時,由圖4分析可知:

        (1)經(jīng)過2個月的抽采,3#煤層鉆孔周圍0.79m范圍內(nèi)的瓦斯壓力降至0.40MPa以下,可解析瓦斯含量降至目標值4m3/t,因此抽采半徑為0.79m;

        (2)經(jīng)過3個月的抽采,3#煤層鉆孔周圍1.0~1.2m范圍內(nèi)的瓦斯壓力降至0.40MPa以下,此時煤層可解析瓦斯含量降至目標值4m3/t,因此抽采半徑為1.02m;

        (3)經(jīng)過6個月的抽采,3#煤層鉆孔1.3~1.5m范圍內(nèi)的瓦斯壓力降至0.40MPa以下,可解析瓦斯含量降至目標值4m3/t,因此抽采半徑為1.35m。

        圖4 3#煤層鉆孔抽采瓦斯壓力與抽采半徑關(guān)系曲線

        3 瓦斯儲量法測定有效抽采半徑結(jié)果分析

        通過以上模擬研究結(jié)果,即將投產(chǎn)的3316工作面預(yù)計進行3個月的順層鉆孔瓦斯抽采,工作面抽采鉆孔間距離取2.0m(模擬結(jié)果:有效半徑為1.02m)。在進行瓦斯預(yù)抽的過程中,在鉆孔內(nèi)安裝煤氣表測定流量,進行為期70d的監(jiān)測試驗,將監(jiān)測的數(shù)據(jù)整理后得到如圖5所示的結(jié)果。

        圖5 單孔抽采量與抽采時間的關(guān)系

        根據(jù)圖5所示的結(jié)果可知,抽采鉆孔內(nèi)瓦斯的抽采量隨著時間的增大逐漸減小,但是其關(guān)系并不是線性相關(guān)。具體時間單孔抽采量仍不能準確的估計,故對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行擬合,擬合曲線公式為:

        采用瓦斯儲量法計算鉆孔的有效半徑,參考模擬研究的結(jié)果,抽采半徑的指標為可解吸瓦斯含量降到目標值4m3/t,下面以抽采60d為例進行計算。有效抽采半徑控制區(qū)域需要抽采瓦斯量:

        式中:

        L1-抽采鉆孔處巷道寬度,取5m;

        L2-鉆孔間距離,取2m;

        W原-3#煤原始可解吸瓦斯含量,取6.32m3/t;

        h-鉆孔長度,取80m;

        ρ-煤體假密度,取1.24t/m3。

        根據(jù)擬合曲線計算考察鉆孔單孔實際抽采量:

        鉆孔控制區(qū)域需布置的抽采鉆孔數(shù)量:

        3#煤層內(nèi)可解吸瓦斯含量降到4m3/t,抽采60d時的有效抽采半徑:

        通過上述計算方法,對鉆孔抽采3、6個月的有效抽采半徑進行計算,對郭莊煤業(yè)有限責任公司3#煤層鉆孔瓦斯有效抽采半徑的測定采用實驗室數(shù)值模擬法與現(xiàn)場瓦斯儲量法相結(jié)合的方法。以可解吸瓦斯含量降到4m3/t為例,兩種方法測得的3#煤層的有效抽采半徑結(jié)果對比如表3所示。不同方法的測定結(jié)果具有很好的吻合性,采用comsol數(shù)值模擬的結(jié)果很好地佐證了現(xiàn)場實測結(jié)果,說明采用COMSOL模擬研究瓦斯有效抽采半徑真實可靠,能夠為現(xiàn)場生產(chǎn)提供可靠的參考依據(jù)。

        表3 不同測定方法有效抽采半徑測定結(jié)果對比

        4 結(jié)論

        為更加合理地設(shè)計抽采鉆孔的布置方式,取得理想的抽采效果,采用COMSOL Multiphysics數(shù)值仿真模擬軟件進行試驗分析。工作面回采前進行3個月的瓦斯預(yù)抽,對抽采孔瓦斯流量進行監(jiān)測,通過瓦斯儲量法計算實際的抽采效果,模擬試驗得出的結(jié)論與實際結(jié)果近似,取得了很好的應(yīng)用效果。

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